Small:二维异质结中氮掺杂介孔碳和N-Ti₃C₂原子耦合增强氧电还原

[研究背景]

二维异质结构通过定制的相互作用将不同二维组分集成到同一单元,其组装的灵活性以及可调节的层间协同作用赋予其在能量转换和存储、电子设备等方面的应用前景,特别是定制耦合异质结构中的电子带隙控制特定应用的界面相互作用,吸引了大量科研人员深入研究。新兴的二维材料MXene,具有出色的机械强度和导电性,是构建二维异质结构的优质平台。此外,MXene的电子结构可以通过简单的杂原子(尤其是氮原子)修饰而得到明显优化,从而有效改善特定应用的性能。基于MXene构建二维异质结构,常用的策略是逐层堆叠,严重忽视了产品的平均质量,浪费了大量的活性位点。因此,这对探索二维异质结构的界面相互作用是完全不利的。近期发展的F127-聚多巴胺单胶束组装策略可在多维基底上有效涂敷氮掺杂介孔碳层,该介孔碳层的孔径与厚度高度可控,这有利于充分发挥异质界面相互作用的协同效应。因此,将氮掺杂的介孔碳单层结构和杂原子修饰的MXene相结合,将有望用于定制二维异质结构的层间电相互作用,这对于电催化等能量转换和存储具有重要意义。

[成果介绍]

近期,青岛科技大学王磊教授与李彬副教授介绍了一种精心设计的二维三明治异质结中的介孔缺陷氮掺杂碳与N-Ti3C2原子耦合结构(DC/N-Ti3C2)用于提升ORR性能。结合实验数据和理论计算结果,证实了其在碱性条件下的反应机理和结构性能关系。这种新颖的原子级耦合结构赋予DC/N-Ti3C2比对照样品更高的起始电位和电流密度,以及优异的甲醇耐受性和在碱性介质中的循环耐久性。这种设计理念为定制用于能量储存与转换的二维异质结构提供了新的见解。

[图文导读]

基于合理的设计理念,研究人员预先建立了缺陷氮掺杂碳(DC)、N-Ti3C2 以及二维缺陷氮掺杂碳和N-Ti3C2异质结构(表示为DC/N-Ti3C2)的原子模型。根据分波态密度(PDOS)计算,单独的纯DC和纯N-Ti3C2组分在费米能级处无高密度状态。可将这两种结构结合起来,在费米能级处会显现高能信号。这意味着DC/N-Ti3C2比两种纯组分具有明显增强的O2吸附能力。因此,作者通过蚀刻策略预制了少层Ti3C2纳米片。随后采用F127-聚多巴胺单胶束定向界面组装策略构建超薄二维氮掺杂介孔碳/Ti3C2异质结构(DC/Ti3C2)。氨气退火处理将氮元素均匀地引入Ti3C2骨架中,并在氮掺杂的介孔碳中产生了更多的缺陷位点,从而成功构建二维氮掺杂介孔碳/N-Ti3C2异质结构(DC/N-Ti3C2)。

扫描、透射电子显微镜图像展现了DC/N-Ti3C2的二维有序介孔形貌特征,C-K、N-K、Ti-L2,3的电子能量损失谱(EELS)用于比较DC/N-Ti3C2与对比样品(DC/Ti3C2)的原子级差异。

XRD,Roman表明了DC/N-Ti3C2的无序碳质结构与缺陷化程度,XPS分析证明了Ti-N物种的存在,氮气吸脱附等温线揭示了DC/N-Ti3C2拥有平均孔径12nm的有序介孔结构。

碱性条件下ORR测试显现了二维缺陷氮掺杂碳和N-Ti3C2原子耦合异质结构对于性能的提升作用,并且DC/N-Ti3C2仍然继承了碳材料优良的循环稳定性与耐甲醇性。

DFT理论计算在外加电场1.23V时显示DC/N-Ti3C2在催化决速步(O2*OOH*)时所需的能量明显低于纯组分DC与N-Ti3C2。外加电场零压条件下DC/N-Ti3C2最接近理想催化剂模型,以上数据进一步证实DC/N-Ti3C2原子级耦合结构对ORR的促进作用。

论文信息:

Coupling of N-Doped Mesoporous Carbon and N-Ti3C2 in 2D Sandwiched Heterostructure for Enhanced Oxygen Electroreduction

Zhaolin Gou, Huiqi Qu, Hanfang Liu, Yiru Ma, Lingbo Zong, Bin Li*, Congxia Xie, Zhenjiang Li, Wei Li, Lei Wang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106581

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106581